Новая технология впервые позволяет снимать видео одиночных атомов, «плавающих» на границе раздела твердого тела и жидкости. В этом подходе для улавливания жидкости используются стопки двумерных материалов, что делает его совместимым с методами определения характеристик, которые обычно требуют условий вакуума. Это могло бы позволить исследователям лучше понять, как ведут себя атомы на этих границах раздела, которые играют решающую роль в таких устройствах, как батареи, каталитические системы и разделительные мембраны.
Существует несколько методов получения изображений отдельных атомов, включая сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ). Однако они включают воздействие на атомы на поверхности образца среды высокого вакуума, что может изменить структуру материала. Между тем методы, которые не требуют вакуума, либо имеют более низкое разрешение, либо работают только в течение коротких периодов времени, а это означает, что движение атомов не может быть зафиксировано на видео.
Исследователи во главе с учеными-материаловедами Сара Хэй Национальный институт графена Манчестерского университета (NGI) разработали новый подход, который позволяет им отслеживать движение отдельных атомов на поверхности, когда эта поверхность окружена жидкостью. Они показали, что в этих обстоятельствах атомы ведут себя совсем иначе, чем в вакууме. «Это очень важно, — объясняет Хей, — поскольку мы хотим понять поведение атомов в реалистичных реакциях/условиях окружающей среды, в которых материал будет испытывать при использовании — например, в батарее, суперконденсаторе и мембранных реакционных сосудах».
Образец подвешен между двумя тонкими слоями жидкости.
В своих экспериментах исследователи NGI поместили образец – в данном случае атомно-тонкие листы дисульфида молибдена – между двумя листами нитрида бора (BN) в ПЭМ. Затем они использовали литографию для травления отверстий в определенных областях BN, чтобы образец можно было подвешивать в тех областях, где отверстия перекрывались. Наконец, они добавили два слоя графена выше и ниже BN и использовали их для улавливания жидкости в отверстиях. По словам Хейга, полученная структура, в которой образец подвешен между двумя слоями жидкости, имеет толщину всего 70 нм. Мир физики.
Благодаря этой так называемой двойной графеновой жидкой ячейке исследователи смогли получить видео отдельных атомов, «плавающих» в окружении жидкости. Затем проанализировав, как атомы движутся на видео, и сравнив это движение с теоретическими моделями, разработанными коллегами из Кембриджского университета, они получили новое представление о том, как жидкая среда влияет на поведение атомов. Например, они обнаружили, что жидкость ускоряет движение атомов, одновременно меняя их предпочтительные «места отдыха» по отношению к находящемуся под ними твердому телу.
Графеновый сэндвич удаляет лед
«Новый метод может помочь улучшить наше понимание поведения атомов на границе раздела твердого тела и жидкости», — говорит Хей. «Такое межфазное поведение обычно исследуется только при более низком разрешении, но оно определяет срок службы батарей, активность и долговечность многих каталитических систем, функциональность разделительных мембран, а также многие другие применения».
Исследователи говорят, что сейчас они изучают более широкий спектр материалов и то, как меняется их поведение в различных жидких средах. «Цель здесь — оптимизировать синтез улучшенных материалов, которые потребуются для перехода к чистой нулевой энергии», — заключает Хейг.
Исследование подробно описано в природа.
